基于复杂网络的生物节律模型探索

哺乳动物的生物钟位于下丘脑的视交叉上核(SCN)，由左右两部分构成，按照功能每部分又由VL（ventrolateral腹外侧）及DM（dorsomedial背内侧）组成。本项目将建立VL与DM中耦合振子的复杂网络模型，以便展示SCN在无光照下的20至28小时节律效应及有光照时的24小时节律的机制。然后以此模型为窗口探索复杂网络领域的热点与重要问题之一：基本结构（motif）和拓扑结构与功能间的关系。着重研究SCN的集体行为对振子本身的特征及其相互间耦合方式的依赖性，揭示对不同度的节点施加外部驱动信号时信号的传播方式及各振子的频率跟随外部驱动频率的相同步化过程，讨论时间延迟对SCN振子的集体行为的影响及部分振子的病死对网络功能的鲁棒性。预期本项目的研究结果将对SCN中振子网络的结构与功能间的关系提供深刻和创新的科学理解并有助于理解其他非哺乳动物的节律效应。

本项目以哺乳动物的生物节律为出发点，探索复杂网络领域的热点与重要问题之一：拓扑结构与功能间的关系。生物钟位于下丘脑的视交叉上核，由左右两部分构成，按照功能每部分又由VL（腹外侧）及DM（背内侧）组成。本项目的研究先建立了VL与DM耦合振子的复杂网络模型，然后以此作为突破窗口研究了信息在生物系统特别是大脑中的传输。主要工作由以下三部分构成：.（1）生物节律SCN振子网络模型的建立及生物现象的机制解释：我们首先研究了部分动物如袋鼠等的节律分离现象的动力学机制，并为此提出了相应的非线性动力学模型，较好地解释了实验方面的发现。然后我们研究了SCN振子对外部光照信号的传输，我们首次发现接受光照的振子数占总SCN振子的比例p是一个关键参数。当此参数超过临界值时可实现信号从VL到DM的传输，否则信号不能传到DM。我们发现外部信号周期低于与高于24小时对DM振子有不同的影响：低于2４小时，DM振子随参数p的变化是一种连续变化；而高于24小时，DM振子随参数p的变化会出现跳变或一级相变。这是一个新的发现，我们给出了理论解释，但期待实验的验证。.（2）复杂网络上的信号放大：我们对复杂网络上的信号放大做了系统的研究。首先研究了耦合神经元系统在外部无序信号下的关联行为,发现不但耦合强度可以导致信号检测能力的增强,而且信号的无序也有利于信号的检测,即存在一种对耦合强度与信号的无序强度都敏感的双随机共振现象。然后我们系统研究了复杂网络局部的信号放大途径，单个耦合神经元系统在外部无序信号下所导致的共振行为，加权网络上信号放大的实现，带有相移的主动旋转子系统上的信号放大，以及设计了一个通过前反馈网络实现对弱信号的放大等。 .（3）听力探测与大脑上的信号传输：我们首先构建了一个一维链耦合振子模型对听力机制给出了比较完满的解释，这个研究结果为临床医学提供了两个方向来增加老年人的听力：增加发丝细胞间的耦合或降低耳声发射来保持他们之间的平衡。然后我们提出一个有组织的分层信号检测与传输模型，其网络上的外围神经细胞负责探测信号，然后通过锁频将信号逐级传输到中枢神经，其结果是中枢神经元可以与所有外围细胞探测的频率范围进行锁频，从而实现对各种频率的辨认，从而解释了大脑的层状结构的合理性。